制备球形纯钛或钛合金粉末的等离子雾化设备的制作方法

本实用新型属于钛或钛合金粉末的制备领域，具体的是制备球形纯钛或钛合金粉末的等离子雾化设备。

背景技术：

纯钛和钛合金因为密度低，耐腐蚀性、机械性能好，且生物相容性优异，被广泛应用在航空航天制造、牙科加工和骨科植入加工等领域。但是，金属3D打印、粉末注射成型、热等静压等粉末冶金方式是这些领域中制备高精度零件的最常用方法，然而，这些制备方法需要高球形的钛粉，常规的机械破碎、化学气相以及传统的气雾等方法制备的钛粉无法满足其苛刻要求。

目前国内外球形钛粉的常见制备方法有水冷铜坩埚气雾化、电极感应熔炼气雾化、等离子球化和等离子旋转电极等。

但是，水冷铜坩埚气雾化无法完全避免杂质，熔炼效率低，熔炼时的过热度不易控制；而电极感应熔炼气雾法保持液流的稳定性是技术难题；等离子球化技术的原材料为不规则粉末，但是，利用不规则粉末为原材料影响球形钛粉的质量的一致性。而等离子旋转电极法虽然能够制备出球形度较好的钛粉，但是电极的转速难于无限提高，转速直接影响细粉收得率；且成型中因为夹具的存在，会带来污染风险。

目前，出现了一种利用等离子雾化制备球形钛粉的方法，例如中国发明专利申请CN103769594A公开了一种等离子雾化制备高纯球形超细/纳米粉末的装备，用于雾化制备出超细/纳米金属或者陶瓷粉末。包括送料系统、对称等离子体炬、真空系统、雾化塔、粉末收集装置以及后续与之相连的气粉分离系统和气体净化循环系统。原材料经过送料系统送入对称等离子体炬的等离子焦点区，原材料被雾化成超细液滴或气雾状，超细液滴或气雾状与连续通入雾化塔的冷去氩气进行热交换冷却凝固成球形粉末。但是，该等离子雾化装备都是采用常温的高压氩气去雾化高温液滴，液滴和氩气之间温差过大，小液滴温度骤然变化，导致小液滴会在极短的时间内冷却为固态粉末，没有足够的时间保证液滴在表面张力作用下收缩为球形，因此最终的粉末的球形度不够好，卫星球数量多，还会产生空心球，内部夹带气体。用这样粉末生产的零件内部会存在气孔，影响成型件的机械性能和疲劳性能。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供制备球形纯钛或钛合金粉末的等离子雾化设备，用于提高球形纯钛或钛合金粉末的球形规则度。

本实用新型采用的技术方案是：制备球形纯钛或钛合金粉末的等离子雾化设备，包括等离子体炬、雾化仓、向雾化仓送料的送料系统、与雾化仓相连的粉末收集装置、与粉末收集装置相连的气体净化循环系统；

所述气体净化循环系统包括气体循环动力装置；

在雾化仓上设有进气口；所述气体循环动力装置与雾化仓的进气口管路连接；在气体循环动力装置与进气口的通路上设有加热器和控制进气口处的进气压的电磁阀。

进一步的，所述雾化仓的进气口处的进气压为0.2-0.5Mpa。

进一步的，在雾化仓上设有排气口，所述排气口与进气口相对设置，所述排气口与气体循环动力装置管路连接。

进一步的，所述排气口位于雾化仓的顶部。

进一步的，在雾化仓的内壁设有氧氮含量检测仪；所述氧氮含量检测仪与控制器通信连接。

进一步的，所述气体净化循环系统还包括回收罐，所述回收罐与气体循环动力装置相连，在回收罐与气体循环动力装置的连接通路上设有控制阀；还设有与控制器通信连接的位于雾化仓内的压力传感器。

进一步的，所述等离子体炬上设有计时器；所述计时器与报警器连接。

进一步的，所述等离子体炬的火炬喷口的外壳上设有水冷装置。

进一步的，在雾化仓上安装有监控摄像头。

本实用新型的有益效果是：该制备球形纯钛或钛合金粉末的等离子雾化设备，通过气体循环动力装置使雾化仓中的冷却气体在雾化过程中循环流动，产生层流冷却气流；加热器对循环流动的冷却气体加热，使冷却气体温度保持在300-350℃。层流的冷却气体，使粉末在冷却过程中快速分散，防止液态颗粒团聚和粘附。用高于室温的层流冷却气流冷却粉末，延长液态颗粒冷却为固态颗粒的时间，保证液态颗粒在凝固过程中有足够时间在表面张力的作用下形成球形，防止雾化仓中的液态颗粒冷却过快，影响固态颗粒的球形度，提高了球形的规则程度，减少了卫星球的数量。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为等离子体炬结构示意图。

图中，等离子体炬1、火炬喷口101、电极102、计时器110、水冷装置120、雾化仓2、进气口210、排气口220、送料系统3、粉末收集装置4、气体净化循环系统5、气体循环动力装置510、气粉分离装置520、回收罐530、加热器6、电磁阀7、氧氮含量检测仪8、压力传感器9、控制阀10、监控摄像头11。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明如下：

制备球形纯钛或钛合金粉末的等离子雾化设备，如图1所示，包括等离子体炬1、雾化仓2、向雾化仓2送料的送料系统3、与雾化仓2相连的粉末收集装置4、与粉末收集装置4相连的气体净化循环系统5；

如图1所示气体净化循环系统5包括采用的是循环风机的气体循环动力装置510；气体循环动力装置510在雾化过程中，使雾化仓2中的冷却气体循环流动，对被等离子体炬1雾化后形成的液态颗粒进行冷却形成固态颗粒，所述液态颗粒即液滴或气雾状粉末。气体循环动力装置510可以为鼓风机、风机等。

为使气体循环动力装置510能够作用于雾化仓2，故，在雾化仓2上设有进气口210；所述气体循环动力装置510与雾化仓2的进气口210管路连接。而在气体循环动力装置510与进气口210的通路上设有控制进气口210处的进气压的电磁阀7的目的是，通过电磁阀7控制进气口210处的进气压，使雾化仓2内的冷却气体形成层流，在雾化仓2内形成层流冷却气流，对被等离子体炬1雾化后形成的液态颗粒进行冷却，使液态颗粒在冷却过程中快速分散，防止液态颗粒团聚和粘附。而，在气体循环动力装置510与进气口210的通路上设有加热器6，其目的是对循环的冷却气体进行加热，使冷却气体保持300-350℃的温度，延长液态颗粒冷却为固态颗粒的时间，防止在冷却形成球体过程中，表面急剧冷却后造成的球体疏松、空洞等缺陷，提高了球形的规则程度，减少了卫星球的数量。

该制备球形纯钛或钛合金粉末的等离子雾化设备，通过气体循环动力装置510使雾化仓2中的冷却气体在雾化过程中循环流动，产生层流冷却气流；加热器6对循环流动的冷却气体加热，使冷却气体温度保持在300-350℃。层流的冷却气体，使粉末在冷却过程中快速分散，防止液态颗粒团聚和粘附。用高于室温的层流冷却气流冷却粉末，延长液态颗粒冷却为固态颗粒的时间，保证液态颗粒在凝固过程中有足够时间在表面张力的作用下形成球形，防止雾化仓2中的液态颗粒冷却过快，影响固态颗粒的球形度，提高了球形的规则程度，减少了卫星球的数量。

气体循环动力装置510在雾化过程中，使雾化仓2中的冷却气体循环流动，同时，所述雾化仓2的进气口210处的进气压为0.2-0.5Mpa。那么，在雾化仓2内形成层流冷却的气体流动，使液态颗粒在冷却过程中快速分散，防止液态颗粒团聚和粘附。这样既能保证保护气体的流动实现对液态颗粒的冷却凝固，又不会对液态颗粒的下落运动产生较大的干扰，造成液体颗粒之间的碰撞，形成较多的卫星球，影响最终产品的质量。

在上述实施方式中，雾化仓2的出料口可以兼作冷却气体循环流动的流出口，即，雾化仓2内的冷却气体经出料口进入粉末收集装置4，然后经过气粉分离装置520进入气体循环动力装置510，再经过气体循环动力装置510由进气口210进入雾化仓2内。然而，由于液态颗粒温度很高，冷却气体与其接触时，冷却气体温度瞬间升高，因此，需要及时排出温度升高后的冷却气体，若利用出料口排出冷却气体，那么，温度升高后的冷却气体在雾化仓2的滞留时间长。为克服上述问题，故，优选的，在雾化仓2上设有排气口220，所述排气口220与进气口210相对设置，所述排气口220与气体循环动力装置510管路连接。所述排气口220与进气口210相对设置，即，排气口220位于雾化仓2的侧壁或者顶部，且，冷却气体由进气口210流入排气口220的流通路径穿过粉末区域。

优选的，所述排气口220位于雾化仓2的顶部。

排气口220位于雾化仓2的顶部，那么，在工作过程中，雾化仓2的冷却气体流向雾化仓2的顶部，经过排气口220排出，而雾化仓2的纯钛或钛合金粉末向雾化仓2的出料口移动，从而起到一定的分离氩气和粉末作用。

由于熔化和在雾化过程在低氧和低氮的环境中进行，为了在整个工作过程中检测氧气和氮气的含量，故，在雾化仓2的内壁设有氧氮含量检测仪8；所述氧氮含量检测仪8与控制箱里的控制器通信连接。氧氮含量检测仪8是在整个工作过程中检测氧气和氮气的含量，当氧氮含量超标时会自动报警并中断工作过程。

优选的，所述气体净化循环系统5还包括回收罐530，所述回收罐530与气体循环动力装置510相连，在回收罐530与气体循环动力装置510的连接通路上设有控制阀10，所述控制阀10与控制箱里的控制器电连接；还设有与控制器通信连接的位于雾化仓2内的压力传感器9。在熔化和在雾化过程中，等离子体炬1会向雾化仓2输入一定的氩气等工作气体，影响雾化仓2内的气压，从而影响冷却后的固态颗粒的形状，压力传感器9则用于检测雾化仓2内的气压，当气压超过设定值时，控制器指令控制阀10开启，将雾化仓2中的气体抽入到回收罐530回收利用。控制箱为现有结构，未在图示中表示。

由于等离子体炬1的电极102使用寿命有限，等离子体炬1的电极102的工作时长到达临界值时，需要更换电极102。故，优选的，如图2所示，所述等离子体炬1上设有计时器110，所述计时器110与报警器连接。计时器110用于记录等离子体炬1的电极102的工作时长，当工作时长到达临界值时，计时器110会报警提醒操作者提前更换电极102，防止在工作过程中电极102发生故障影响生产。

为了对等离子体炬1进行防碳化和防钨化处理，所述等离子体炬1的火炬喷口101的外壳设有水冷装置120。水冷装置120为现有装置，其利用水循环对等离子体炬1的喷口的外壳进行冷却处理，以降低喷口的外壳温度，从而在一定程度上起到防碳化和防钨化作用。同时，所述等离子体炬1的火炬喷口101为高温陶瓷材料制品。利用高温陶瓷材料制品替换传统的金属材料制成的火炬喷口101，克服了金属材料因高温发生碳化和钨化而将带来杂质，影响纯钛和钛合金粉末的纯度的缺陷。

优选的，在雾化仓2上安装有监控摄像头11。监控摄像头11能够实时监控金属丝的熔化状况，监控摄像头11将等离子体炬1与金属丝材料作用的画面记录下来，转化为熔化状况。若监控到金属丝熔化时出现未完全熔化或者过熔等情况，可以及时调节雾化制粉的工艺参数，确保金属丝得到合理的熔化，保证生产粉末的质量具有高度的一致性。